JP4617368B2 - バッテリレス絶対位置検出用エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、被検出回転軸の絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダに関するものである。

従来、主回転軸に対して歯車機構を介して連結された複数の従回転軸に連結されて従回転軸の回転角度を検出する複数の絶対位置検出器を備え、主回転軸の絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダが知られている。例えば、特開昭６１−４９１８号公報（特許文献１）には、歯車機構で連結された３つのレゾルバを用いて、回転体の多回転にわたる絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダが開示されている。

また特許第３７０４４６２号公報（特許文献２）には、歯車機構で連結された４つのリラクタンスレゾルバの位置関係からマルチターンを含めた絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダが開示されている。この従来のエンコーダでは、外部に出力する必要な領域範囲をカバーできるように歯車の組合せで、検出可能な範囲を広くしている。隣り合う歯車の歯数が素数の関係になるように構成することで、回転回数が効率よく算出可能になる。そして１台のレゾルバを１回転内の領域判別と回転回数判別の両方の用途に使用している。また歯車の噛み合わせは２つの平面内に複数の歯車を配置した噛み合わせであるが、偏平に構成するために大径のレゾルバの内周面に歯車を配置している。
特開昭６１−４９１８号公報 特許第３７０４４６２号公報

バッテリレス絶対位置検出用エンコーダは、電源が遮断された場合でも、歯車機構を構成する複数の歯車の位置関係が、被検出回転軸の絶対位置に関する絶対位置情報を保持している。そのため本来的には、絶対位置情報を保持するためのバッテリを必要としない。バッテリレス絶対位置検出用エンコーダを用いると、電源を遮断した後に、何らかの理由で外力が被検出回転軸に加わって被検出回転軸が動いた場合には、歯車機構も動くことになる。その後、電源が投入されると、外力によって動いた後の絶対位置情報を出力する。このとき仮に絶対位置検出器（例えばレゾルバ）に、断線・誤動作・機械的損傷等が発生し、正しい検出信号が得られなかった場合には、誤った絶対位置が算出され、エンコーダが装着された装置が、予想外の動きをしてしまう問題が発生することになる。しかしながら、従来はこのような問題の発生を自己判定することができなかった。

また、たとえ算出された絶対位置が正しい場合でも、例えばメンテナンス作業等で外力によって被検出回転軸があらかじめ定めた範囲外に動かされた場合を検知することができなかったため、装置の動作時に予想外の動きの発生につながる恐れがあった。

さらに歯車の組合せで検出可能な絶対位置範囲を大きくとるためには、歯車の歯数を大きくとる必要があり、それに従い使用する絶対位置検出器（例えばレゾルバ）の誤差許容値も小さくなる。そのため、従来の構成では、絶対位置検出器（例えばレゾルバ）の精度を確保するために、製造コストが高くなる問題があった。特に、前述の特許文献２に示された構成では、最初の第１段目の絶対位置検出器（レゾルバ）ＲＳ１は１回転内の領域判別と回転回数の判別の両方の用途に使用されるため、特に精度が要求されていた。

また特許文献２に記載の構成のように、大径のレゾルバの中に歯車を入れ込む構成はエンコーダサイズが小さくなると、製造することが難しくなる。また歯車機構を小径のエンコーダに適用すると、レゾルバ検出部と歯車機構を縦方向に積むことになり、軸線方向の小型化が困難であった。

本発明の目的は、電源投入時にバッテリレス絶対位置検出用エンコーダから出力される絶対位置情報の確からしさを判定し、確からしさに問題があった場合には、アラーム信号を出力することができるバッテリレス絶対位置検出用エンコーダを提供することにある。

本発明は、回転軸を有する複数の回転型絶対位置検出器が歯車機構を介して連結されて構成され、被検出回転軸の絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダを改良の対象とする。本発明で使用する回転型絶対位置検出器としては、リラクタンスレゾルバや、光学式絶対位置検出器を用いることができる。本発明のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダは、絶対位置演算部と、絶対位置記憶部と判定部とを備えている。絶対位置演算部は、複数の回転型絶対位置検出器から出力される複数の検出信号に基づいて、被検出回転軸の回転回数を含む絶対位置を演算する。そして絶対位置記憶部は、電源遮断時において絶対位置演算部から出力される電源遮断時の絶対位置を記憶する不揮発性メモリを備えている。なお不揮発性メモリへの書き込みは電源遮断時に基板回路上のコンデンサに蓄えられた電荷のみで行うため、不揮発性メモリは、できるだけ書き込み時間が早いものが望まれる。書き込み時間が早い不揮発性メモリを用いることで、書き込みに必要な電荷を確保するための大容量のコンデンサは不要にできる。そして判定部は、電源投入時において絶対位置演算部から出力される絶対位置と、不揮発性メモリに記憶された電源遮断時の絶対位置とを比較し、両者の差が予め定めた値より大きいときにアラーム信号を出力する。すなわち判定部は、電源投入時にバッテリレス絶対位置検出用エンコーダから出力される絶対位置情報の確からしさを判定し、確からしさが低い場合にアラーム信号を出力する。出力されたアラーム信号により行う後処理は任意である。例えば、後処理としては、警報器から警報を発生すること、アラーム信号により絶対位置演算部からの絶対位置の出力を停止すること、エンコーダが装着されている装置の起動をアラーム信号で停止させることが考えられる。

本発明によれば、電源遮断後に外力によって被検出回転軸があらかじめ定めた範囲外に動かされた場合や、絶対位置検出器で故障が発生することにより、電源投入時に出力される絶対位置が電源遮断前の絶対位置と異なってしまう事態が発生した場合、判定部からアラーム信号が出力される。その結果、アラーム信号に基づいて、警報を発したり、エンコーダを装着した装置を起動させないようにすれば、装置が想定外の動きをすることを阻止することができる。

また絶対位置記憶部には、歯車機構に含まれる歯車の歯数の組合せから算出可能な絶対位置の検出領域の上限を越えた回数を保存するカウンタ部を設けることができる。なおこのカウンタ部は前述の回数の情報を保存する不揮発性メモリを含んでいるのが好ましい。このようなカウンタ部を絶対位置記憶部に設けたときには、絶対位置の検出領域の上限を越えた回数と複数の検出信号に基づいて演算した絶対位置とに基づいて、現在の絶対位置を演算するように、絶対位置演算部を構成すればよい。このようにすると絶対位置の検出領域の上限を無くすことができる。また歯車機構により定める検出範囲を小さいものとしても、絶対位置の検出領域を無限のものとすることができる。

また歯車機構を構成する複数の歯車を同一平面内に配置すると、歯車機構の小型化とエンコーダのサイズの小型化が容易になる。またエンコーダの寸法のうち、被検出回転軸の軸線方向の寸法を小さいものとすることができる。

複数台の回転型絶対位置検出器のうち、被検出回転軸に接続される回転軸を有する１台の回転型絶対位置検出器を歯車機構の一方側に配置する。そしてこの１台の回転型絶対位置検出器の回転軸に歯車機構に含まれる１枚の歯車を固定する。更に、残りの回転型絶対位置検出器を歯車機構の他方側に配置する。そして残りの回転型絶対位置検出器のそれぞれの回転軸に固定された歯車を、前記１枚の歯車の周囲に配置する。このようにするとエンコーダを小型化することができる。

特に、検出範囲を無限のものとしたバッテリレス絶対位置検出用エンコーダは、少なくとも絶対位置演算部とカウンタ部を含む絶対位置記憶部とを備えていればよい。

本発明によれば、電源遮断後に外力によって被検出回転軸があらかじめ定めた範囲外に動かされた場合や、絶対位置検出器で故障が発生することにより、電源投入時に出力される絶対位置が電源遮断前の絶対位置と異なってしまう事態が発生すると、判定部からアラーム信号が出力されるので、電源投入時にバッテリレス絶対位置検出用エンコーダから出力される絶対位置情報の確からしさを判定することができる。そしてアラーム信号に基づいて、警報を発したり、エンコーダを装着した装置を起動させないようにすれば、装置が想定外の動きをすることを阻止することができる効果が得られる。

以下図面を参照して、本発明のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダの一実施の形態の構成を概略的に示す図ために、歯車機構ＧＭの構成を示す図と、演算を実行するために必要な要素を示すブロック図とを合わせて示している。また図２は、本実施の形態のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダの一部を断面にして示した部分断面図である。

図１に示すように、本実施の形態のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダは、それぞれ回転軸Ｓ０乃至Ｓ３を有する４つの回転型絶対位置検出器として用いられるリラクタンスレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３が歯車機構ＧＭを介して連結されて構成されている。回転軸Ｓ０は、図示しない例えばモータの出力軸（被検出回転軸）に接続される。図２には、二つのリラクタンスレゾルバＲＳ０及びＲＳ３だけを図示してある。そして図１には、４つのリラクタンスレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３はブロック図で示してある。４本の回転軸Ｓ０乃至Ｓ３を連結する歯車機構ＧＭは、４本の回転軸Ｓ０乃至Ｓ３にそれぞれ連結された平歯車Ｇ０乃至Ｇ３が、同じ平面内で噛み合って回転するように構成されている。本実施の形態では、歯車Ｇ０の歯数と歯車Ｇ１の歯数を等しくし、リラクタンスレゾルバＲＳ１を１回転内の領域判別用として用いる。回転回数を判別するための歯車は、リラクタンスレゾルバＲＳ２の歯車Ｇ２とリラクタンスレゾルバＲＳ３の歯車Ｇ３の２つとした。具体的には、歯車Ｇ０及びＧ１の歯数を２８歯、歯車Ｇ２の歯数を２７歯、歯車Ｇ３の歯数を２９歯としている。

図１及び図２において、符号１を付した部材は、歯車機構ＧＭとリラクタンスレゾルバＲＳ０のロータ部１０及びステータ部２０が収納されるギヤボックスである。また図２に示すように、ギヤボックス１の上には、３つのリラクタンスレゾルバＲＳ１乃至ＲＳ３の回転軸Ｓ１乃至Ｓ３を回転可能に支持するためのベアリングＢと、３つのリラクタンスレゾルバＲＳ１乃至ＲＳ３のロータ部１３及びステータ部２３が収納されるケース本体２が固定されている。そしてケース本体２内には、ギヤボックス１とは反対側の空間内に回路基板３が収納されている。回路基板３上には、図１に示した演算回路が実装されている。ケース本体２の端板４からは、回路基板３から延びる複数の端子５が外側に延び出ている。

図２に示すように、本実施の形態では、４台のリラクタンスレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３のうち、被検出回転軸に接続される回転軸Ｓ０を有するリラクタンスレゾルバＲＳ０を歯車機構ＧＭの一方側に配置している。そして残りの３台のリラクタンスレゾルバＲＳ１乃至ＲＳ３を歯車機構ＧＭの他方側に配置している。そして中心の歯車Ｇ０の周囲に、他の歯車Ｇ１乃至Ｇ３を配置しているので、エンコーダの全体形状を小型にすることができる。

回路基板３上に実装された演算回路は、図１に示すように、絶対位置演算部６と、絶対位置記憶部７と、判定部８と、電源監視部９とを備えている。絶対位置演算部６は、４つのリラクタンスレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３からそれぞれ出力される複数の検出信号に基づいて、被検出回転軸としての回転軸Ｓ０の回転回数を含む絶対位置を演算する。なお絶対位置の演算に関しては、特許文献２に基本的な考え方が詳しく記載されているので、ここでは説明を省略する。

絶対位置記憶部７は、電源遮断時において絶対位置演算部６から出力される電源遮断時の絶対位置を記憶する不揮発性メモリ７Ａを記憶素子として内部に備えている。なお不揮発性メモリ７Ａへの書き込みは電源遮断時に回路基板３上に設けたコンデンサに蓄えられた電荷のみで行うため、不揮発性メモリ７Ａは、できるだけ書き込み時間が早いものが望まれる。書き込み時間が早い不揮発性メモリ７Ａを用いることで、書き込みに必要な電荷を確保するための大容量のコンデンサは不要にできる。そこで具体的な不揮発性メモリ７Ａとしては、例えばラムトロンから販売されているような、１回の書き込みアクセス時間が３０ns以内の高速で動作し、かつ書き換え回数に制限が無い不揮発性メモリを用いることができる。以下、不揮発性メモリ７Ａへの書き込みの具体的な構成について述べる。回路基板３上の回路への供給電源電圧は５Ｖであり、不揮発性メモリ７Ａへの書き込みは３．３Ｖで行われる。電源監視部９は５Ｖの電源電圧の遮断を検出する電源監視素子を備えている。本実施の形態の構成では、電源監視部９は、４．２Ｖまで電源電圧が低下すると、電源が遮断されたと認識し、絶対位置記憶部７に含まれる図示しない書き込み回路は不揮発性メモリ７Ａへの書き込み動作に入る。本実施の形態では、電源ラインの安定化のために回路基板３上に備えているタンタルコンデンサとセラミックコンデンサに蓄えられている電荷のみで不揮発性メモリ７Ａへの書き込みを行う。本実施の形態の場合、電源電圧が４．２Ｖから３．３Ｖに低下するまでの時間は３ms以上あることが実験的に確認できている。そして不揮発性メモリ７Ａに８ワード分の情報を書き込む必要があるとした場合でも、全データの書き込みにかかる時間は４０μs以内である。したがって書き込みのために、十分なマージンを確保できている。このように高速で書き込みを行うことができる不揮発性メモリを使用することで、容量の大きいアルミ電解コンデンサ等を装備することなく、安定した不揮発性メモリへの書き込みを実現することができる。

判定部８は、電源監視部９がエンコーダへの電源投入を検出したときに、絶対位置演算部６から出力される絶対位置と、絶対位置記憶部７内の不揮発性メモリ７Ａに記憶された電源遮断時の絶対位置とを比較して、両者の差が予め定めた値より大きいときにアラーム信号を出力する。これは電源遮断中に、外部からの力で回転軸が回転させられた場合には、電源遮断時に不揮発性メモリ７Ａに保存された絶対位置と現在位置との間に差が生じるからである。電源監視部９が電源の投入を検出したときに、歯車機構ＧＭで結合された４台のレゾルバＲＳ０及びＲＳ３が出力する検出信号の関係から算出する現在の絶対位置と不揮発性メモリ７Ａに保存された過去の絶対位置の差が一定の許容値内であれば、４台のレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３の検出信号から算出された絶対位置を採用する。そして絶対位置の差があらかじめ設定した許容回転回数差を超えている場合には、電源遮断中に外力により通常ではありえない領域までモータが回転しているか、または４台のレゾルバＲＳ０及びＲＳ３のいずれかに故障が発生したと判定部８が判定をして、アラームを発生させる。ここでアラームを発生させる許容回転回数差の定め方は、エンコーダを実装した装置毎に異なるため、エンコーダを使用する装置毎に許容回転回数差を適宜に設定すればよい。

なおエンコーダから出力されたアラーム信号により行う後処理は任意である。例えば、後処理としては、警報器から警報を発生すること、アラーム信号により絶対位置演算部６からの絶対位置の出力を停止すること、エンコーダが装着されている装置の起動をアラーム信号で停止させることが考えられる。

本実施の形態によれば、電源遮断時に外力によって被検出回転軸が動いたり、リラクタンスレゾルバで故障が発生することにより、電源投入時に出力される絶対位置が電源遮断前の絶対位置と異なってしまう事態が発生すると、判定部８からアラーム信号が出力されるので、アラーム信号に基づいて、適正な対処をすることにより、エンコーダを実装した装置が想定外の動きをすることを阻止することができる。

また本実施の形態では、絶対位置記憶部７が、歯車機構ＧＭに含まれる歯車の歯数の組合せから算出可能な絶対位置の検出領域の上限を越えた回数を保存するカウンタ部７Ｂを備えている。なおこのカウンタ部７Ｂは前述の回数の情報を保存する不揮発性メモリを含んで構成されている。なおカウンタ部７Ｂで使用する不揮発性メモリとして、本実施の形態では、前述の不揮発性メモリ７Ａを利用している。本実施の形態の絶対位置演算部６は、演算した絶対位置が絶対位置の検出領域の上限を越えた回数と４台のレゾルバＲＳ０乃至ＲＳ３からの検出信号に基づいて演算した絶対位置とに基づいて、現在の絶対位置を演算するように構成されている。このようにすると、絶対位置の検出領域の上限を無くすことができる。また歯車機構ＧＭにより定める検出範囲を小さいものとしても、絶対位置の検出領域を無限のものとすることができる。

本実施の形態では、歯車機構ＧＭを構成する４枚の歯車を同一平面内に配置しているが、本発明を適用するにあたって、歯車機構の構造及び使用するレゾルバの台数は任意である。また複数台のレゾルバの配置構造も本実施の形態に限定されるものではなく、他の配置構造を採用してもよいのは勿論である。

また本実施の形態では、歯車機構ＧＭに含まれる歯車の歯数の組合せから算出可能な絶対位置の検出領域の上限を越えた回数を保存するカウンタ部７Ｂを絶対位置記憶部７に設けているが、検出する絶対位置を有限のものとする場合には、カウンタ部７Ｂは必要ない。

さらに上記実施の形態では、回転型絶対位置検出器として、リラクタンスレゾルバを用いたが、光学式絶対位置検出器を用いても良いのは勿論である。

本発明のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダの一実施の形態の構成を概略的に示す図である。 本実施の形態のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダの一部を断面にして示した部分断面図である。

ＲＳ０〜ＲＳ３ リラクタンスレゾルバ
ＧＭ 歯車機構
１ ギヤボックス
２ ケース本体
３ 回路基板
６ 絶対位置演算部
７ 絶対位置記憶部
８ 判定部
９ 電源監視部

Claims (6)

1. 回転軸を有する複数の回転型絶対位置検出器が歯車機構を介して連結されて構成され、被検出回転軸の絶対位置を検出するバッテリレス絶対位置検出用エンコーダであって、
   前記複数の回転型絶対位置検出器から出力される複数の検出信号に基づいて、前記被検出回転軸の回転回数を含む絶対位置を演算する絶対位置演算部と、
   電源遮断時において前記絶対位置演算部から出力される電源遮断時の絶対位置を記憶する不揮発性メモリを備えた絶対位置記憶部と、
   電源投入時において前記絶対位置演算部から出力される前記絶対位置と、前記不揮発性メモリに記憶された前記電源遮断時の絶対位置とを比較し、両者の差が予め定めた値より大きいときにアラーム信号を出力する判定部とを備え、
   前記絶対位置記憶部は、前記歯車機構に含まれる歯車の歯数の組合せから算出可能な前記絶対位置の検出領域の上限を越えた回数を保存するカウンタ部を備え、
   前記絶対位置演算部は、前記カウンタ部に記憶された前記歯車機構に含まれる歯車の歯数の組合せから算出可能な前記絶対位置の検出領域の上限を越えた回数と前記複数の検出信号に基づいて演算した前記絶対位置とに基づいて、現在の絶対位置を演算することを特徴とするバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。
2. 前記回転型絶対位置検出器が、リラクタンスレゾルバである請求項１に記載のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。
3. 前記回転型絶対位置検出器が、光学式絶対位置検出器である請求項１に記載のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。
4. 前記アラーム信号により前記絶対位置演算部からの前記絶対位置の出力を停止することを特徴とする請求項１，２または３に記載のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。
5. 前記歯車機構を構成する複数の歯車は同一平面内に配置されている請求項１に記載のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。
6. 前記複数の回転型絶対位置検出器のうち、前記被検出回転軸に接続される回転軸を有する１台の前記回転型絶対位置検出器が前記歯車機構の一方側に配置され、
   前記１台の回転型絶対位置検出器の前記回転軸に前記歯車機構に含まれる１枚の前記歯車が固定され、
   残りの前記回転型絶対位置検出器が前記歯車機構の他方側に配置され、
   前記残りの回転型絶対位置検出器のそれぞれの前記回転軸に固定された前記歯車が、前記１枚の歯車の周囲に配置されている請求項５に記載のバッテリレス絶対位置検出用エンコーダ。

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